知识就是力量——气体检测传感器

按照气体检测传感器的不同工作原理，进行详细的分类、原理分析、典型型号介绍和应用场景梳理。

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一、半导体式气敏传感器

1. 工作原理

其核心是金属氧化物半导体材料（最常见的是二氧化锡）。在清洁空气中，氧气会吸附在半导体表面，捕获其内部的自由电子，形成一个电子耗尽层，导致传感器电阻较高。
当传感器暴露在还原性气体（如可燃气体、CO）中时，这些气体会与吸附的氧气发生反应，将被捕获的电子释放回半导体，从而增加其导电性（降低电阻）。通过测量这种电阻变化，即可间接检测气体浓度。
通常需要加热器将传感材料加热到一定的高温（200-500°C），以加速反应过程并提高灵敏度。

2. 特点

• 优点：成本低廉、寿命较长（通常5-10年）、灵敏度高、驱动电路简单。
• 缺点：选择性差、受温湿度影响大、输出非线性、需要预热时间、基线会漂移。

3. 典型型号及应用

型号	主要检测气体	特点及应用
MQ-2	丙烷、液化气、烟雾、氢气	通用型，适用于烟雾/可燃气体报警器
MQ-3	酒精	专用于酒精检测，常用于车载酒精检测仪
MQ-4	甲烷	对天然气敏感，家用燃气报警
MQ-7	一氧化碳	对CO高灵敏度，适用于家用CO报警
MQ-8	氢气	对氢气高灵敏度
MQ-9	一氧化碳、可燃气体	对CO和可燃气均有良好灵敏度
MQ-135	空气质量	对苯、氨气、硫化物等敏感，用于空气污染监测
TGS 2600	空气质量	对低浓度VOCs和异味气体敏感，用于新风系统

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二、电化学传感器

1. 工作原理

传感器内部充满电解质，并包含三个电极：工作电极、对电极和参比电极。
目标气体通过隔膜扩散到工作电极，发生氧化或还原反应，在对电极上发生相应的逆反应。
这一过程产生一个与气体浓度成正比的电流信号。通过测量这个微小电流，即可精确计算出气体浓度。

2. 特点

• 优点：选择性好、精度高、线性输出、低功耗、响应速度快。
• 缺点：寿命有限（通常2-3年）、受温度影响、存在基线漂移、成本高于半导体式。

3. 典型型号及应用

电化学传感器通常由专业制造商生产，型号多以检测气体命名。

检测气体	典型型号/系列	特点及应用
一氧化碳	City Technology 4CO, Alphasense CO-AX	家用和工业CO安全检测
硫化氢	City Technology 3H, Alphasense H2S-AX	石油、污水处理等工业安全
氧气	City Technology 4OX, Alphasense O2-A2	缺氧或富氧环境监测，如隧道、矿井
二氧化硫	City Technology 3ST, Alphasense SO2-AX	工业过程监测、环境监测
氮氧化物	City Technology 3NT/NO, Alphasense NO-AX	汽车尾气检测、大气污染监测
氯气	City Technology 3Cl	水处理、化工厂安全
VOCs	Membrapor VOC系列	检测苯、甲苯等挥发性有机物

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三、催化燃烧式传感器

1. 工作原理

传感器核心是一个惠斯通电桥。其中一臂是检测元件，由涂有催化剂的铂丝线圈构成；另一臂是补偿元件，结构与检测元件相同但无催化剂。
当可燃气体与检测元件接触时，会在催化剂作用下发生无焰燃烧，燃烧产生的热量使铂丝线圈温度升高，电阻增大。而补偿元件不发生反应，电阻不变。
这样，电桥的平衡被破坏，输出一个与气体浓度成正比的电压信号。

2. 特点

• 优点：对可燃气体响应准确、线性度好、成本适中、寿命较长（3年以上）。
• 缺点：必须在有氧环境下工作、催化剂易中毒（硅、铅、硫化物）、只能检测可燃气体、检测范围有限（通常0-100%LEL）。

3. 典型型号及应用

这类传感器在工业安全领域是标准配置。

典型型号/系列	特点及应用
City Technology CTE-700	工业级催化燃烧传感器，防爆设计，用于固定式气体检测仪
Alphasense CH系列	高性能催化燃烧传感器，用于便携式和固定式检测仪
MSA 系列催化燃烧头	用于MSA品牌的工业安全检测仪
国产BM系列	成本较低的国产替代方案，广泛应用于各类燃气报警器

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四、红外传感器

1. 工作原理

基于非色散红外技术。特定气体分子对特定波长的红外光有选择性吸收。
传感器内部有一个红外光源和一个探测器。红外光穿过测量气室后被探测器接收。
当目标气体进入气室时，会吸收掉部分特定波长的红外光，导致探测器接收到的光强减弱。根据朗伯-比尔定律，光强的衰减量与气体浓度成正比。

2. 特点

• 优点：选择性极强、精度高、寿命极长（>10年）、不受中毒影响、响应快。
• 缺点：成本高、体积相对较大、功耗较高、无法检测无极性的双原子分子（如H₂, O₂, N₂, Cl₂）。

3. 典型型号及应用

主要用于检测具有明显红外吸收特性的气体。

检测气体	典型型号/系列	特点及应用
二氧化碳	Senseair S8, GSS ExplorIR-M, 炜盛科技MH-Z19	暖通空调、温室农业、新风系统、呼吸分析
甲烷	Dynament IR-15, 阿尔法Sense IRC-A1	燃气泄漏检测、矿井安全、沼气分析
碳氢化合物	多种工业型号	制冷剂泄漏检测、工业过程控制
一氧化碳	特定工业型号	可用于汽车尾气分析等特定场合

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五、光离子化传感器

1. 工作原理

传感器内部有一个高能量的紫外灯光源。当挥发性有机化合物气体分子进入电离室时，在紫外光的照射下，如果其电离能低于紫外光的光子能量，就会被电离成正离子和电子。
在电离室的两极施加电场，这些被电离的离子和电子会定向移动形成离子电流。该电流的大小与气体的浓度成正比，从而实现对VOCs的定量检测。

2. 特点

• 优点：对ppb级低浓度VOCs灵敏度极高、响应速度极快、非破坏性测量、不受湿度和CO₂干扰。
• 缺点：无法区分具体VOCs种类（给出的是总浓度）、紫外灯寿命有限（通常1-2年）、成本高、对电离能高于光子能量的气体无响应。

3. 典型型号及应用

主要用于环境监测和工业卫生领域。

典型型号/系列	特点及应用
Honeywell MiniPID	体积小、功耗低，广泛应用于便携式VOCs检测仪
Alphasense PID-A1/A2	高性能PID传感器，具有不同的灯能量选择
ION Science Cub	抗湿度干扰能力强，适用于恶劣环境
基康仪器 PID 传感器	国产PID传感器，用于环境监测设备

总结对比表

传感器类型	原理	选择性	精度/灵敏度	寿命	成本	主要检测对象
半导体式	表面电导率变化	差	中等	较长	低	可燃气体、烟雾、VOCs
电化学式	电化学反应电流	好	高	有限（2-3年）	中	有毒气体、氧气
催化燃烧式	催化燃烧热效应	中等	中等	较长	中	可燃气体（LEL）
红外式	红外光吸收	极好	极高	极长（>10年）	高	CO₂、CH₄等红外活性气体
光离子化	紫外光电离	差	极高（ppb级）	有限（1-2年）	高	总VOCs浓度

在选择气体传感器时，需要综合考虑检测目标、所需量程、精度要求、环境条件、使用寿命和预算等因素，才能做出最合适的选择。